[論文レビュー] Interferometry with Atoms

Jean-François Schaff, Tim Langen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 205被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超低温原子を用いた物質波干渉計の包括的レビューを提示しており、自由ビームおよびトラップ系の両方における原子のド・ブロイ波のコherentな操作に焦点を当てている。原子干渉計が非平衡量子力学的ダイナミクスをどのように探査するかを示し、1次元ボーズガスにおける相関の光円錐様な伝播とプリススティーム化を明らかにし、理論的予測と一致する1.2 ± 0.1 mm/sの特徴的速度の実験的確認を示している。

ABSTRACT

Optics and interferometry with matter waves is the art of coherently manipulating the translational motion of particles like neutrons, atoms and molecules. Coherent atom optics is an extension of techniques that were developed for manipulating \emph{internal} quantum states. Applying these ideas to translational motion required the development of techniques to localize atoms and transfer population coherently between distant localities. In this view position and momentum are (continuouse) quantum mechanical degree of freedom analogous to discrete internal quantum states. In our contribution we start with an introduction into matter-wave optics in section 1, discuss coherent atom optics and atom interferometry techniques for molecular beams in section 2 and for trapped atoms in section 3. In section 4 we then describe tools and experiments that allow us to probe the evolution of quantum states of many-body systems by atom interference.

研究の動機と目的

• 自由ビームおよびトラップ系における原子物質波のコherentな操作技術の開発とレビュー。
• 原子干渉計が熱的平衡を超える複雑な量子多体系ダイナミクスをどのように探査できるかの探求。
• 量子クイエンチ後における非平衡状態の1次元ボーズガスにおける熱的相関の出現の解明。
• 光円錐様な相関拡散を通じて、局所的平衡仮説の実験的検証。
• トラップされた1次元系におけるLuttinger液体理論のモデルと実験的観測の接続。

提案手法

• 位置と運動量を内部状態に類似した連続的量子自由度として扱う物質波光学の原則を用いる。
• 物質波の伝播と回折をモデル化するため、経路積分およびアイコナル近似を適用する。
• 3グレーティング・マハーズェンダ干渉計および光誘起定常波グレーティングを用いてビームベース干渉計を実現する。
• 2モード近似およびボーズ＝ハッブルモデルを用いて二重井戸ポテンシャル内のBECおよびジョセフソンダイナミクスを記述する。
• 飛行時間法およびトラップ内再結合技術を用いて位相コherー二ンスと干渉対比度を測定する。
• 干渉対比度の時間発展を解析し、非平衡系における相関長および特徴的速度を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子クイエンチに続く非平衡状態の1次元ボーズガスにおける量子相関はどのように拡散するか？
• RQ2 局所的平衡仮説は、孤立系における熱的相関の出現をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 1次元ボーズガスにおける相関伝播の特徴的速度は何か？また、Luttinger液体理論の予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 多体系の位相ずれおよびスケーリング効果は、トラップされた超低温原子における干渉対比度にどのように影響するか？
• RQ5 物質波干渉を用いてプリススティーム化状態およびその緩和ダイナミクスをプローブできるか？

主な発見

• 1次元ボーズガスにおける干渉対比度は、光円錐様の相関の減衰を示し、特徴的速度1.2 ± 0.1 mm/sを示す。これはLuttinger液体理論と一致する。
• 熱的減衰の開始を示すクロスオーバー距離 z̄c(t) は時間に対して線形に増加し、z̄c = 2ct として記述され、情報伝播のフロント的伝播を確認する。
• プリススティーム化された相関関数は指数関数的減衰 C(z,z′) = exp(−|z−z′|/λ_Teff) に従い、λ_Teff = ℏ²n₁d/mk_BT_eff となる。これは長距離スケールで有効な熱化を示している。
• 系は、相関距離を超えて長距離位相コherー二ンスが維持されるプリススティーム化状態に達する。一方、短距離相関は熱的になる。
• 実験データは、トラップポテンシャルを含む理論的計算と良好に一致しており、相関拡散における準粒子励起の役割を裏付けている。
• 観測されたダイナミクスは、局所的平衡仮説に対する強く支持する証拠を提供する。ここでは、相関の有限速度伝播に伴い、局所的に熱的性質が出現する。